Połączenie filtracji, UV i fotosensybilizacji zwiększa skuteczność dezynfekcji

Dla wielu osób mieszkających w krajach rozwiniętych zapewnienie dostępu do czystej i bezpiecznej wody pitnej jest standardem realizowanym przez systemy komunalne. Współczesne infrastruktury wodociągowe wykorzystują zaawansowane technologie filtracyjne oraz dezynfekcję światłem UV. W wielu gospodarstwach domowych stosuje się dodatkowo indywidualne systemy filtracyjne.

Sytuacja wygląda jednak odmiennie w licznych regionach Globalnego Południa, gdzie dostęp do takich technologii jest ograniczony. W tych obszarach, obejmujących między innymi część Afryki i Ameryki Południowej, istnieje jednak istotny zasób naturalny wspierający uzdatnianie wody – światło słoneczne.

Naukowcy z University of Connecticut oraz Yale University opracowali nowy system dezynfekcji wody wykorzystujący energię słoneczną, łączący kilka istniejących metod. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie npj Clean Water należącym do grupy Nature.

Integracja wielu metod dezynfekcji

Zespół badawczy opracował kompaktowe urządzenie wykorzystujące synergiczne działanie kilku technik bazujących na energii słonecznej. Jak podkreśla Eric Ryberg, adiunkt nauk o zdrowiu w College of Agriculture, Health and Natural Resources (CAHNR), zastosowanie wielu metod jednocześnie zwiększa skuteczność procesu uzdatniania wody.

Najstarszą i najbardziej rozpowszechnioną metodą dezynfekcji wody jest jej gotowanie, jednak proces ten jest energochłonny. Alternatywą są metody filtracji fizycznej, takie jak wykorzystanie filtrów ceramicznych lub sedymentacyjnych, które usuwają patogeny mechanicznie.

Kolejną techniką jest pasteryzacja słoneczna, polegająca na podgrzewaniu wody promieniowaniem słonecznym do temperatury inaktywującej drobnoustroje. Metoda ta wymaga jednak odpowiednich warunków atmosferycznych i jest mniej efektywna zimą lub przy dużym zachmurzeniu.

Mechanizmy działania promieniowania UV i dezynfekcji słonecznej

Dezynfekcja słoneczna (SODIS), polegająca na wystawieniu wody w przezroczystych pojemnikach na działanie promieniowania słonecznego, pozwala na eliminację nawet 99,9% bakterii w ciągu około sześciu godzin w sprzyjających warunkach.

Promieniowanie UVA indukuje stres oksydacyjny poprzez interakcję z cząsteczkami obecnymi w wodzie lub w samych mikroorganizmach. Z kolei promieniowanie UVB powoduje bezpośrednie uszkodzenia DNA drobnoustrojów.

Istotnym ograniczeniem tej metody jest jednak stosunkowo niska skuteczność wobec wirusów, których inaktywacja może wymagać nawet 30 godzin ekspozycji na światło słoneczne. Dodatkowo brak jest jednoznacznego wskaźnika informującego użytkownika o bezpieczeństwie wody.

Fotosensybilizatory jako kluczowy element systemu

Nowy system wykorzystuje także mechanizm fotosensybilizacji. Fotosensybilizatory to związki chemiczne reagujące na światło słoneczne, które przekazują energię cząsteczkom tlenu w wodzie. W wyniku tego powstaje tlen w stanie wzbudzonym, zdolny do reakcji z mikroorganizmami i ich skutecznej inaktywacji.

Zaletą tej metody jest wysoka skuteczność wobec wirusów, które ze względu na niewielkie rozmiary są trudniejsze do eliminacji za pomocą tradycyjnych technik filtracyjnych i dezynfekcyjnych.

W badanym systemie zastosowano erytrozynę – powszechnie stosowany barwnik spożywczy – jako fotosensybilizator. Istotnym elementem praktycznym jest fakt, że wraz z degradacją barwnika zmienia się kolor wody, co stanowi wizualny wskaźnik zakończenia procesu dezynfekcji.

Skuteczność systemu i wyniki badań terenowych

Modele opracowane przez badaczy wskazują, że przy natężeniu promieniowania słonecznego wynoszącym 1100 W/m² możliwe jest uzyskanie bezpiecznej mikrobiologicznie wody w czasie krótszym niż jedna godzina, a kolejne cykle dezynfekcji mogą trwać jedynie około 28 minut.

Testy terenowe przeprowadzone w Gwatemali przy natężeniu promieniowania na poziomie 1050 W/m² potwierdziły trafność tych założeń.

Analizy modelowe uwzględniające warunki klimatyczne w Cape Town (RPA), Sololá (Gwatemala) oraz Phoenix (USA) wykazały, że system jest w stanie zapewnić około 50 litrów wody dziennie na osobę – zgodnie z rekomendacjami ONZ – przez większość dni w roku (z wyjątkiem około 20 dni o skrajnie niekorzystnych warunkach nasłonecznienia).

Możliwości skalowania i przyszłe kierunki badań

Opracowany system może być łatwo skalowany – zarówno do zastosowań indywidualnych w gospodarstwach domowych, jak i do większych instalacji obsługujących całe społeczności.

Aktualnie prowadzone są prace nad zastąpieniem syntetycznych fotosensybilizatorów naturalnymi odpowiednikami, takimi jak chlorofil czy hiperycyna (związek występujący w dziurawcu zwyczajnym). Celem tych badań jest ograniczenie potencjalnych zagrożeń toksykologicznych oraz zwiększenie bezpieczeństwa długoterminowego stosowania technologii.

Źródło: npj Clean Water, Building-integrated solar water disinfection system for reliable year-round drinking water safety
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s41545-025-00539-2